培養(yǎng)太空探索接班人

李忠東

在宇宙空間制造人造物體，一直是科幻小說(shuō)的重要情節(jié)之一。相信《星際迷航》（Star Trek）的影迷們對(duì)于這一橋段一定不會(huì)陌生——飛船上的3D打印機(jī)直接打印出了一杯香濃的摩卡咖啡。

如今，在美國(guó)宇航局（NASA）的主導(dǎo)下，在宇宙空間運(yùn)用3D打印技術(shù)終于成為了現(xiàn)實(shí)。

太空3D打印夢(mèng)想成真

2014年11月17日，NASA在國(guó)際空間站成功安裝了世界首臺(tái)零重力3D打印機(jī)。它高30厘米、寬24厘米、長(zhǎng)36厘米，被安裝在空間站的微重力科學(xué)手套箱（MSG）里。

NASA之所以癡迷于太空3D打印，主要在于宇航員可以使用3D打印機(jī)來(lái)更換破損的零部件，甚至使用3D打印的零部件組裝完整的空間設(shè)備，避免動(dòng)用火箭輸送，降低空間站的運(yùn)行成本和風(fēng)險(xiǎn)。

在此之前，當(dāng)太空中的宇航員需要一個(gè)替換件時(shí)，只能向地面基地發(fā)出請(qǐng)求，等待下一次物資輸送時(shí)才能到手。而每往太空輸送一盎司（相當(dāng)于28克）物資就要花費(fèi)數(shù)千美元，而且地面工程師需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的設(shè)計(jì)和包裝，使物質(zhì)在太空飛船中所占的空間最小化，同時(shí)運(yùn)輸火箭還必須滿足相應(yīng)的推力。因此太空3D打印技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，將會(huì)改變太空探索的方式，對(duì)于人類未來(lái)的深空探測(cè)活動(dòng)極其重要。

如今，世界首臺(tái)零重力3D打印機(jī)正在幫助宇航員在微重力環(huán)境中進(jìn)行“增材制造”（Additive Manufacturing，AM）試驗(yàn)，目前已經(jīng)打印了21個(gè)塑料配件，出現(xiàn)在《星際迷航》中的科幻場(chǎng)景似乎已經(jīng)離我們不再遙遠(yuǎn)。

說(shuō)到“增材制造”（AM），這是一種采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，在短短20年里，這項(xiàng)“自下而上”的制造技術(shù)就已突飛猛進(jìn)。借助AM技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)真正打開了設(shè)計(jì)大門，由此能夠生產(chǎn)出傳統(tǒng)制造工藝難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀的部件。

零重力3D打印技術(shù)驗(yàn)證的目標(biāo)是進(jìn)行太空AM試驗(yàn)，以探究AM技術(shù)作為持續(xù)太空制造可靠平臺(tái)的應(yīng)用價(jià)值。其中，第一階段的打印將包括一系列的工程測(cè)試樣品，這些樣品將被送回地球用于科研分析，隨后與該3D打印機(jī)在地面的NASA馬歇爾太空飛行中心打印的樣品進(jìn)行比較。

如果人類想嘗試未來(lái)在太空中制造大量材料和裝備的能力，那么如今的AM試驗(yàn)將是絕好的試金石。

405份方案帶著理想飛翔

2016年2月，在美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）基金會(huì)的幫助下，NASA在美國(guó)紐約的無(wú)畏號(hào)海洋航空航天博物館內(nèi)，啟動(dòng)了“未來(lái)工程師3D打印星際迷航復(fù)制品挑戰(zhàn)賽”（Future Engineers 3-D Printing Star Trek Replicator Challenge，以下簡(jiǎn)稱“未來(lái)工程師挑戰(zhàn)賽”）。

這項(xiàng)賽事旨在激發(fā)青少年對(duì)3D打印技術(shù)和星際旅行的興趣。通過(guò)3D設(shè)計(jì)和打印，讓所有年齡段的孩子發(fā)揮空間想象力，并用3D打印機(jī)打印出他們喜歡的產(chǎn)品。該賽事的舉辦方和贊助方甚至鼓勵(lì)學(xué)生大膽嘗試以前沒(méi)有人涉及過(guò)的領(lǐng)域——使用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)出能使航天員“多福多壽”的解決方案。

根據(jù)“未來(lái)工程師挑戰(zhàn)賽”的主旨，學(xué)生們需要思考未來(lái)可能存在的長(zhǎng)期太空任務(wù)，運(yùn)用3D打印技術(shù)幫助宇航員在2050年的太空之旅中吃上營(yíng)養(yǎng)餐，同時(shí)還要從可持續(xù)材料中獲得在太空實(shí)現(xiàn)3D打印的目標(biāo)。參賽作品可以包括耕作用品、生物容器、餐飲用品、食物容器，甚至能夠種植的農(nóng)作物等任何他們能想到的太空用品。

NASA馬歇爾太空飛行中心的科學(xué)家尼基·維克海瑟在“未來(lái)工程師”挑戰(zhàn)賽開幕式上指出：“可持續(xù)發(fā)展對(duì)于活動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)的太空任務(wù)來(lái)說(shuō)非常重要，我們需要在遠(yuǎn)離地球的地方運(yùn)用制造技術(shù)，創(chuàng)建所有未來(lái)的宇航員所需要的物品?！?/p>

經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的設(shè)計(jì)建模，組委會(huì)收到了405份優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案，這些方案從有關(guān)種植和收獲作物的方式，到針對(duì)準(zhǔn)備、進(jìn)食和處理食物的創(chuàng)意，種類繁多，應(yīng)有盡有。組委會(huì)對(duì)這些方案的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)很簡(jiǎn)單：是否能在未來(lái)幫助宇航員在太空中進(jìn)餐，并且能夠輕易且不間斷地在太空環(huán)境中制造出未來(lái)宇航員可能需要的物品。作為獎(jiǎng)勵(lì)，NASA極有可能在未來(lái)進(jìn)行的太空探索中，使用這些由學(xué)生們提供的創(chuàng)意和技術(shù)。

兩座3D打印農(nóng)場(chǎng)一舉奪冠

在本屆挑戰(zhàn)賽中，青少年組（13-19歲） 的冠軍是來(lái)自美國(guó)亞利桑那州德塞特維斯塔高中的凱爾·科雷特，他設(shè)計(jì)的太空輻射驅(qū)動(dòng)器格外引人注目。而另外3名決賽選手通過(guò)3D打印，設(shè)計(jì)的螺旋藻農(nóng)場(chǎng)和多功能杯子等產(chǎn)品同樣使人耳目一新。

從本質(zhì)上說(shuō)，科雷特設(shè)計(jì)的太空輻射驅(qū)動(dòng)器就是一個(gè)3D打印的微型農(nóng)場(chǎng)，這個(gè)農(nóng)場(chǎng)為宇航員打造了一個(gè)可以長(zhǎng)時(shí)間使用的有機(jī)生長(zhǎng)的真菌溫床，為他們提供了有機(jī)食物的來(lái)源，確保他們能夠在星際空間中吃上營(yíng)養(yǎng)豐富的食物。

真菌是一種真核生物，最常見的是各類蕈類，另外也包括霉菌和酵母。目前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了七萬(wàn)多種真菌，但據(jù)科學(xué)家估計(jì)，這還只是所有真菌的一小部分。

在太空輻射驅(qū)動(dòng)器中，真菌使用放射性能源作為動(dòng)能，由于電離輻射在太空中普遍存在，因此它們可以作為可持續(xù)再生的食物來(lái)源。為了供養(yǎng)真菌，科雷特用泵把水灌入擠壓的進(jìn)水管里，使其進(jìn)入穿過(guò)有機(jī)生長(zhǎng)真菌溫床里的內(nèi)部管道。整套設(shè)備制作精良，確保真菌能在微重力環(huán)境下茁壯生長(zhǎng)。而科雷特選用的3D打印材料也是不易彎曲的防水塑料，可以將太空輻射驅(qū)動(dòng)器的功能發(fā)揮到最佳狀態(tài)。

少年組（5-12歲）的冠軍是來(lái)自鷹嶺中學(xué)的斯雷亞希·索拉，由他開發(fā)的太空迷你農(nóng)場(chǎng)同樣令所有評(píng)委嘆為觀止。

索拉的太空迷你農(nóng)場(chǎng)是為在火星上種植新鮮食品而設(shè)計(jì)的，它能保證宇航員的健康。與科雷特設(shè)計(jì)的太空輻射驅(qū)動(dòng)器不同，迷你農(nóng)場(chǎng)利用太陽(yáng)能來(lái)種植糧食。由于火星遠(yuǎn)離太陽(yáng)，獲取的陽(yáng)光比地球上少得多，因此，太空迷你農(nóng)場(chǎng)安裝有一個(gè)放大鏡，用來(lái)收集陽(yáng)光，并將其直接照射到植物體上。此外，火星上的空氣也比地球上稀薄，迷你農(nóng)場(chǎng)為此也増?zhí)砹艘粋€(gè)可以定期增壓的泵，能夠把農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的壓力增至地球壓力的1/10左右。裝入這個(gè)3D打印的縮小版透明溫室里的土壤，也和來(lái)自火星土壤的營(yíng)養(yǎng)成分完全一致。

更為關(guān)鍵的是，在太空迷你農(nóng)場(chǎng)的方案中，完全不需要使用任何電子零件，因此未來(lái)人們可以直接從火星土壤中提取材料，進(jìn)行3D打印建造。

雖然少年組的冠軍已經(jīng)確定，但NASA表示，少年組的另外3個(gè)決賽項(xiàng)目也非常具有開發(fā)前景，它們分別是3D打印的生物反應(yīng)器、水冷凝器和E-Z攪拌機(jī)。

太空旅行和探索的先鋒

如今，隨著高新信息的廣泛普及，NASA的發(fā)展思路也在悄然發(fā)生變化。以此次“未來(lái)工程師挑戰(zhàn)賽”為例，他們正是借助了青少年學(xué)子的力量，不斷努力改進(jìn)和改造未來(lái)3D打印機(jī)在宇宙中的使用技術(shù)。

NASA已然意識(shí)到集思廣益的重要性，從前幾年向社會(huì)公開征集太空車的命名方案，到如今熱忱歡迎學(xué)生們的頭腦風(fēng)暴，這是一個(gè)極大的進(jìn)步。2016年開展的首次3D打印產(chǎn)品競(jìng)賽，讓許許多多的孩子體會(huì)到了其中的樂(lè)趣。

或許對(duì)于此次比賽的冠軍而言，從一個(gè)方案雛形，到讓自己的作品能夠在國(guó)際空間站的機(jī)載3D打印機(jī)上真正成功使用，這其中仍要經(jīng)歷不少挑戰(zhàn)，面對(duì)不少困難，但通過(guò)這次挑戰(zhàn)賽的經(jīng)歷，相信這些“未來(lái)工程師”會(huì)意識(shí)到，人人都有機(jī)會(huì)成為未來(lái)太空旅行與探索的先鋒，都有機(jī)會(huì)為人類的宇宙探索做出一些貢獻(xiàn)。